火山與航空安全

梁毅強(qiáng) 許建東 于紅梅

火山噴發(fā)產(chǎn)生的災(zāi)害包括火山碎屑流、火山熔巖流、火山碎屑空降、火山泥石流，以及火山噴發(fā)引起的滑坡、地震、海嘯等。其中，火山碎屑空降是最普遍、最頻繁的一種火山災(zāi)害，是火山災(zāi)害中占主導(dǎo)地位的災(zāi)害類型，特別是火山灰對航空的影響最大。

火山碎屑空降災(zāi)害

當(dāng)火山發(fā)生爆炸式噴發(fā)時，巖漿或巖石被炸成碎片，大塊的火山碎屑（一般大于64mm）以彈道式從火口拋射出，會產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力。相對小的火山碎屑（2～64mm）被噴向空中產(chǎn)生一個噴發(fā)柱，在風(fēng)和重力影響下降落到地面，會對建筑物、交通、水資源、電力供應(yīng)、通信設(shè)備、農(nóng)業(yè)等造成嚴(yán)重破壞，既是火山灰厚度只有幾毫米，也可能造成潛在的重大社會影響（圖1）。

最小的火山碎屑即火山灰（＜2mm）很容易在噴發(fā)柱內(nèi)部向上對流，達(dá)到平流層，在很長一段時間內(nèi)順風(fēng)前進(jìn)，這些火山灰可能會影響數(shù)百甚至數(shù)千平方千米的社區(qū)和農(nóng)田。例如，1815年印度尼西亞的坦博拉（Tambora）火山爆發(fā)的火山灰沉積，導(dǎo)致幾個島嶼上的大米和玉米嚴(yán)重歉收，使得大約80000人陷于饑荒。火山灰還會導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)動機(jī)引擎損壞，成為航空的主要危害。2010年4月14日冰島艾雅法拉（Eyjafjallaj?kull）火山突然噴發(fā)，雖然噴發(fā)的規(guī)模不大，但由于氣流和天氣原因，飄散的火山灰致使歐洲空中交通癱瘓了數(shù)日。此外，人類和動物一旦吸入細(xì)火山灰，就會對他們的健康造成影響；這些細(xì)小的火山灰顆粒甚至可能會引起氣候的變化。例如， 1991年6月15日菲律賓皮納圖博（Pinatubo）火山噴發(fā)，導(dǎo)致兩年內(nèi)全球平均溫度下降1℃。

圖1 2014年2月14日，火山灰在克魯?shù)律交鹕揭晕骷s150公里（93英里）處覆蓋了一架飛機(jī)和Solo機(jī)場

火山灰對航空飛行的影響

火山在強(qiáng)烈爆炸性噴發(fā)的情況下，火山灰的高度可高達(dá)數(shù)十千米，最小顆粒的火山灰（粒徑為1～15微米）可以形成火山灰云，在大氣中可停留持續(xù)數(shù)天。當(dāng)火山灰云上升到對流層或平流層，將會隨風(fēng)漂移，甚至漂移很遠(yuǎn)的距離。圖2是2010年4月14日冰島艾雅法拉火山噴發(fā)的火山灰擴(kuò)散分布圖，顯示了每6小時的變化情況。從圖中可以看出，火山灰擴(kuò)散范圍越來越大，高度也在不斷上升。

1989年12月5日就發(fā)生了1例航空安全事件，一架由阿姆斯特丹飛往東京的荷蘭皇家航空B747-400客機(jī)，在阿拉斯加空域進(jìn)入里道特火山（Mount Redoubt）爆發(fā)后的火山灰云，4臺發(fā)動機(jī)全部熄火，飛行高度從8534米急速下降到4267米，所幸在下降過程中發(fā)動機(jī)成功重新起動，最后安全降落在安克雷奇國際機(jī)場，無人傷亡。盡管目前還沒有因火山灰造成的傷亡事故報告，潛在的危險不容小覷。

據(jù)統(tǒng)計，自20世紀(jì)80年代以來，全世界約發(fā)生了100起與火山活動相關(guān)的事件?；鹕交铱赡軗p壞飛機(jī)發(fā)動機(jī)，導(dǎo)致速度指示表等各種儀器失靈而產(chǎn)生錯誤警示，引起發(fā)電機(jī)和電子元件變形，遮擋飛機(jī)擋風(fēng)玻璃，腐蝕飛機(jī)機(jī)體，有毒氣體影響飛行員健康，嚴(yán)重危及航空安全（圖3）。另外，火山灰會污染航空器通風(fēng)和增壓系統(tǒng)，磨損轉(zhuǎn)動部件，腐蝕航空器外部組件和設(shè)備，影響機(jī)場跑道制動效果，嚴(yán)重影響航空器的可靠性，也大大增加航空運維費用。

發(fā)動機(jī)受損的主要原因是飛機(jī)在通過火山灰污染的空域時，發(fā)動機(jī)會吸入細(xì)小的火山灰，火山灰的主要成分是硅酸鹽，其熔點約1100℃，而發(fā)動機(jī)正常運行的溫度為1400℃，所以吸入的火山灰會被融化成氣體，而后又在噴嘴導(dǎo)向葉片、渦輪葉片上冷卻成火山灰顆粒，并附著在葉片上，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)空中停車（圖4）。

國際火山灰咨詢機(jī)制

圖2 冰島艾雅法拉火山噴發(fā)火山灰擴(kuò)散分布圖（引自英國氣象局）〔注：紅色區(qū)域為20000英尺高度的火山灰擴(kuò)散范圍，綠色區(qū)域為20000英尺-35000英尺的范圍，藍(lán)色區(qū)域為35000英尺-55000英尺的范圍，F(xiàn)L（FlightLevel）為飛行高度，單位是100英尺（1英尺=0.3048米），F(xiàn)L200為飛行高度為20000英尺，約為6096米〕

圖3 火山灰影響航空安全示意圖

鑒于火山灰危害的嚴(yán)重性，為了使航空器避開火山灰云的影響，國際民航組織（ICAO）與世界氣象組織（WMO）合作，于1993年啟動了國際航線火山灰監(jiān)測（IAVW） 項目。此后，國際民航組織和世界氣象組織規(guī)定，個別地區(qū)的氣象監(jiān)視臺應(yīng)像在惡劣氣象條件下發(fā)布重要氣象情報（SIGMET）一樣，發(fā)布有關(guān)火山灰云的報告，并且為此成立了火山灰咨詢中心（VAAC）。火山灰咨詢中心是專門負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和發(fā)布有關(guān)可能危及航空安全的大氣火山灰云信息的專家組織，其任務(wù)是在指定的空域內(nèi)監(jiān)測火山灰云的位置和運動信息。目前世界各地共有9個火山灰咨詢中心，它們分別設(shè)在日本東京、美國華盛頓、美國安克雷奇、澳大利亞達(dá)爾文、新西蘭惠靈頓、加拿大蒙特利爾、英國倫敦、法國圖盧茲和阿根廷布宜諾斯艾利斯，每個中心有明確的責(zé)任區(qū)域（圖5）。

圖4 火山灰嚴(yán)重?fù)p壞飛機(jī)發(fā)動機(jī)

VAAC服務(wù)項目包括收集火山噴發(fā)情報、火山活動情報和觀測到的火山灰云情報，以及火山灰運移和擴(kuò)散（VATD）的計算機(jī)模擬結(jié)果，為有關(guān)氣象監(jiān)測臺發(fā)布火山灰云報告提供情報和數(shù)據(jù)分析。各個VAAC作為其所在國家的天氣預(yù)報組織的一部分運行，例如華盛頓火山灰咨詢中心隸屬美國國家海洋和大氣管理局（NOAA），倫敦火山灰咨詢中心隸屬英國氣象局。這些中心在日常運行中要與相鄰的VAAC、區(qū)域內(nèi)和附近的飛行控制中心以及氣象臺進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)。

圖5 覆蓋全球的九個VAAC（圖中陰影區(qū)域為VAAC未覆蓋的區(qū)域，引自維基百科）

除俄羅斯北部、北極地區(qū)，南太平洋和南極的一部分區(qū)域未覆蓋（詳見圖6的陰影區(qū)域），VAAC的責(zé)任范圍覆蓋了世界大部分地區(qū)。VAAC涵蓋的區(qū)域由坐標(biāo)或航班信息區(qū)域（FIR）設(shè)定，這些區(qū)域是國際公認(rèn)的國際民航組織IAVW計劃的一部分，每個負(fù)責(zé)的區(qū)域都在IAVW手冊中列出。

當(dāng)檢測到火山灰云時，VAAC將收集所有可用信息，預(yù)測不同飛行高度的灰云路徑，按照IAVW程序手冊中的規(guī)定向航空和氣象辦公室發(fā)出警報。警報以火山灰咨詢報告的形式發(fā)布，包括火山的名稱、火山所在的國家、位置和火山口高度，信息來源（如來自衛(wèi)星或飛行員觀察），火山噴發(fā)的詳細(xì)信息（包括世界標(biāo)準(zhǔn)時間UTC和火山爆發(fā)的日期），火山灰的詳細(xì)信息（包括飛行高度和大?。鹕交以飘?dāng)前運動的詳細(xì)信息，和此后6小時、12小時和18小時火山灰運動的預(yù)測信息，并在相應(yīng)時間節(jié)點提供新的咨詢報告。目前VAAC和歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織（EUMETSAT）針對全球主要火山噴發(fā)事件提供基于衛(wèi)星影像的全球火山灰云分布圖，為客觀評價大氣中火山灰云的遷移變化提供了參考依據(jù)。

火山風(fēng)險警報分級

世界各地的火山風(fēng)險警報級別各不相同。除航空顏色代碼外，目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)化的國際火山風(fēng)險警報級別系統(tǒng)。這是因為各個火山的特點和監(jiān)測能力差異很大，而且不同國家的語言和顏色或警戒級別的象征也不同。世界火山觀測組織（WOVO）建議：對自然災(zāi)害感興趣的組織不要采信非火山觀測站的業(yè)余團(tuán)體的信息來發(fā)布火山風(fēng)險警報或火山爆發(fā)“預(yù)報”，因為發(fā)布風(fēng)險警報級別可能會產(chǎn)生重大的公共安全事件和經(jīng)濟(jì)影響，最好由最熟悉其火山活動的區(qū)域火山觀測站的工作人員進(jìn)行評估。對于希望獲得當(dāng)前火山活動報道準(zhǔn)實時概況的人，WOVO推薦參考史密森學(xué)會（GVP）和美國地質(zhì)調(diào)查局編制的每周火山活動報告。GVP還提供長期火山活動月度摘要和世界火山及其爆發(fā)歷史目錄。

為幫助飛機(jī)避開火山灰，國際航空火山觀察組織開發(fā)了一套通用的航空火山警戒級別系統(tǒng)，這是由聯(lián)合國專家機(jī)構(gòu)國際民用航空組織協(xié)調(diào)的全球預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用四種顏色代碼（表1）。這個通用的系統(tǒng)特別適合于航空部門，因為飛行員、調(diào)度員和空中交通管制員在全球范圍內(nèi)規(guī)劃或執(zhí)行航班時，需要迅速確定多個國家的眾多火山的狀況，并確定是否需要繼續(xù)關(guān)注、重新安排路線或增加額外的燃油。這些顏色代碼反映了火山或火山附近的情況，但不適用于火山灰在順風(fēng)方向造成的危害，因為所有可識別的火山灰云都是極度危險的，都應(yīng)該避開飛行。而且必須指出，航空彩色代碼不能代表地面上的危險，因為這可能是完全不同的。

表1 國際民用航空組織推薦的航空顏色代碼（引自WOVO）

國際民航組織還在考慮使用新的結(jié)構(gòu)化信息，以清晰、簡潔和易于使用的格式，將危險信息從火山觀測站傳遞給空中交通管制員、調(diào)度員、飛行員和航空氣象學(xué)家。目前，已經(jīng)開發(fā)出了一種消息格式模板，稱為火山觀測站航空通告（VONA），其結(jié)構(gòu)化格式旨在幫助那些辦事處的非火山學(xué)家也能更容易理解和使用火山信息。當(dāng)某火山的航空色碼發(fā)生變化（上升或下降）時，或者當(dāng)火山噴發(fā)事件或其他火山活動發(fā)生重大變化時，火山觀測站可以發(fā)出航空通告?；鹕接^測站將VONA發(fā)送（傳真或電子郵件）到相關(guān)的區(qū)域控制中心、氣象觀察辦公室和火山灰咨詢中心。

火山灰災(zāi)害減災(zāi)策略

如何有效地預(yù)防和減輕火山灰對人類和生存環(huán)境的危害是政府官員和火山學(xué)家們面臨的一項重要課題。從減災(zāi)策略的角度，大致可以分為科學(xué)技術(shù)類和社會工程類。

科學(xué)技術(shù)類專注于強(qiáng)化對火山灰空降模型的研究。與其他火山災(zāi)害相比，火山灰空降的影響因素更為復(fù)雜化和多元化，其災(zāi)害程度受噴發(fā)源距離、火山灰擴(kuò)散方向、火山灰沉積厚度、火山灰物理和化學(xué)性質(zhì)、氣候環(huán)境特征等影響。從目前的研究進(jìn)展來看，火山灰空降模型可以分為兩個主要類型：顆粒跟蹤模型和平流擴(kuò)散模型。顆粒跟蹤模型為歐拉和拉格朗日模型，如CANERM模型、MEDIA模型、PUFF模型和VAFTD模型等，這些模型在一定的時間和空間內(nèi)，能預(yù)測火山灰云的位置，主要應(yīng)用到航空安全上。平流擴(kuò)散模型為歐拉模型，例如ASHFALL模型、Conner 2001模型、HAZMAP模型、TEPHRA 和TEPHRA2模型等，它能描述顆粒擴(kuò)散、傳播和沉積方程的解，能夠預(yù)測火山噴發(fā)后火山灰在地面上任意一點上的沉積量。這些模型主要用于火山所在地安全性的預(yù)測。在此基礎(chǔ)上，可以及時對火山灰的擴(kuò)散趨勢及相關(guān)地區(qū)的安全性做出動態(tài)評估，及時為政府和公眾提供有效的產(chǎn)品和信息，例如給出警報和減災(zāi)措施建議。

社會工程類聚焦于人類的社會行為。火山噴發(fā)前，政府機(jī)構(gòu)可以組織火山附近的居民有條不紊地撤離，發(fā)出旅游警告，提醒旅游者避免前往火山所在地區(qū)，并做好噴發(fā)期間的各項應(yīng)急準(zhǔn)備；火山噴發(fā)期間，火山觀測和專業(yè)咨詢機(jī)構(gòu)產(chǎn)出的產(chǎn)品和信息（如火山灰擴(kuò)散預(yù)測圖、火山觀測站航空通告等）可以讓火山灰擴(kuò)散涉及地區(qū)的居民提前做好應(yīng)對準(zhǔn)備，減少財產(chǎn)損失，保護(hù)人身安全，相關(guān)航空公司可以據(jù)此修改或者停運火山灰擴(kuò)散區(qū)域涉及的航路。在火山平靜期間，火山附近的居民、地方官員和旅游者可以開展有關(guān)火山和火山災(zāi)害方面的科普教育，廣泛宣傳防災(zāi)自救知識，盡可能地掌握一些簡易的自救方法并購置有效的自救工具。只有兩類策略綜合運用，才能最大限度地降低火山災(zāi)害損失。

結(jié)束語

火山灰對自然環(huán)境和人類社會各種活動影響巨大。目前，人類已就火山灰對氣候、農(nóng)業(yè)、交通、建筑物、水資源、電力供應(yīng)、通信設(shè)備等方面的影響開展了較為廣泛而深入的研究，形成了一系列的應(yīng)對防范和開發(fā)利用的措施。但是人類面對自然界的力量仍然顯得微不足道，總體上仍處于被動防范和防御的地位。今后要想實現(xiàn)人類和火山的和諧相處，仍然需要付出艱苦的努力，比如不斷探索研究火山的成因，加強(qiáng)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，強(qiáng)化各種應(yīng)對措施和應(yīng)急準(zhǔn)備等。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，相信這一天將會很快到來。